附着式升降脚手架结构的分析

2022-01-19刘福平

建材与装饰 2022年3期

关键词：架体网片立杆

刘福平

（山西省工程机械有限公司，山西太原 030003）

1 研究背景

随着我国城镇化进程加快，城市中高层建筑数量逐年增加，全钢爬架因具有节能、安全、绿色环保等特点，在高层建筑的建设过程中，起到了举足轻重的作用，对此项技术的发展依然需要进行细致的研究。

爬架设计主要从“架体轻量化、架体通过性、架体结构受力优化”这3 点着手考虑，其中全钢爬架结构由架体构架、水平支承桁架、竖向主框架、附着支撑结构、提升机构、同步控制系统这6个节点组成。现对此6 个设计节点进行探讨。

2 各结构设计节点解析

2.1 架体构架

架体构架由钢脚手板、立杆、Z 字型/三角形斜撑、外防护网、斜腹杆、兜底横杆等组成，整体具有施工作业平台，施工通道和外防护的功能。

（1）其中钢脚手板兼作走道板、纵向水平杆、横向水平杆使用。其主肢截面形式主要有：矩形管、角钢、C 型钢或折弯一体化型材，使用较为广泛的为矩形管，其具结构形式有良好的受力特性，相同重量下其具有相对角钢和C 型钢更高的强度。面板一般选用花纹钢板、钢网板或轧制折弯钢板，其中花纹板的使用较为广泛，其具有密封性好、防滑、美观的特点，钢网板为施工初期较多采用的一种材料，仅用于人员临时走动，以及防止较大的物体从架体内掉落，但其易损坏，对于体积娇小的物体防护性较差。折弯钢板使用也较为常见，其形成的龙骨具有较好的受力性能，但其凹槽内容易堆积混凝土及杂物，且不易清理。

钢脚手板是架体纵向和横向构件，承受并传递垂直荷载（自重荷载和施工荷载）、纵向水平拉压力、横向支座反力和风荷载。其中在纵向连接中，一般使用螺栓在脚手板端部进行连接；横向连接中，立杆与钢脚手板主肢的连接孔进行连接。此项连接中容易出现以下3 点问题：①脚手板两侧主肢杆无抗拉能力。②脚手板接合面处抗弯能力弱。③面板抗侧压能力较弱时，两侧主肢杆抵抗水平荷载增大。

针对这3 点问题，通过以下4 种方式改进：①增加纵向连接板，提高脚手板端部接合面处连接的强度。②端部的连接螺栓靠近主肢杆。③立杆布置时靠近横杆。④适当增强面板的刚度。

（2）架体构架中的立杆分为外立杆和内立杆，其中外立杆承受垂直荷载（自重荷载和施工荷载）与水平风荷载，内立杆承受垂直荷载（自重荷载和施工荷载）。

立杆在安装时存在以下问题：①立杆的截面，长细比限定了架体的最大步距，通常架体步距不大于2m，但因立杆上存在连接孔，在一定程度上减弱了立杆的承载能力。②内立杆和外立杆未成对组装，将使外排架体局部下沉，使其内侧立杆支点跨距增大，承载时将产生较大挠度。

故在设计安装时，架体内外立杆大部分选取成对布置，并增设Z 字型/三角形斜撑，将Z 字型/三角形设置在钢脚手板下方，连接内、外排架体，形成半刚架结构，并可将外立杆的荷载传递至内立杆上。

而且Z 字型/三角形斜撑因在架体每步加设，若隔1~2 步安装，在立杆截面较小、架体悬高较大、支座安装数量少、未设置临时拉结杆的情况下，架体的水平刚度差。少装Z 字型/三角形斜撑时，外排架体的荷载仅靠下部Z 字型/三角形斜撑横向集中传递到内排架体，容易出现较大的安全隐患。只有当内外立杆、钢脚手板、Z 字型/三角形斜撑都安装到位后，才能构成整体的几何不变体系，架体在各个方向中都有受力较好的桁架体系，整体的受力更合理，各个部件均参与到了受理体系中。

（3）架体构架中外防护网主要是起外立面防护作用，在《建筑施工高处作业安全技术规程》（JGJ 80—2016）中要求，外防护网应能承受任意方向1kN 的荷载，其既能阻挡物料坠落，又能阻挡人员坠落。

外防护网安装方式通常有嵌装式网片和外平铺式网片两种形式。其中嵌装式网片是嵌入相邻外立杆之间，此种安装方式一定程度上有助于架体的稳定性，也可增强网片自身的抗风能力，但嵌装网片的宽度、斜杆角度也随立杆间距变化，将使用较多宽度不等的非标件，不利于标准化生产和周转应用。而外平铺式网片用户是将网片安装至立杆外部，即外防护网包裹住立杆安装，此种安装方式即可设计几种标准化的网片宽度，在不同尺寸面上进行组合拼装，但因其安装至立杆外部，导致网片和钢脚手板之间出现了立杆宽度的缝隙，需要增设挡脚板封堵此缝隙。

两种网片安装方式各有利弊，从结构稳定性考虑，嵌入式网片更合理；从标准化生产考虑，外平铺式网片更有优势。

2.2 水平支承桁架

水平支承桁架是爬架整体的一个稳固节点，根据架体结构内力分析，内、外排架体构架分别承受自重荷载、施工荷载并向下传递到架体下部，再传递到竖向主框架，因此在内、外排架体下部设置水平支承桁架，如图1 所示。

图1 水平支承桁架结构形式

其中水平支承桁架布置时，根据行业标准《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》（JGJ 202—2010），规定在架体相邻立杆节点上安装斜腹杆，因此全步高的长杆式斜腹杆完全符合标准要求。现除了全步高式斜腹杆的水平支承桁架还另有片式桁架组成的水平支承桁架，片式桁架布置更美观，但荷载通过立杆传递可能未传至桁架节点，使用时须根据实际工况对桁架设计进行计算。

2.3 竖向主框架

竖向主框架是附着式升降脚手架中最主要的受力构件，多数竖向主框架为刚架结构，由机位立杆、Z 字型斜撑组成，节点一般为焊接或螺栓连接，还一并安装了防倾覆导轨，提升桁架及钢脚手板等构件。

爬架在使用时，架体多种类、多方向、多工况的组合荷载均汇集在竖向主框架上，故竖向主框架的构造直接影响爬架的整体强度。

在竖向主框架设计中，连同防倾覆导轨一同设计，防倾覆导轨在使用、升降、坠落工况中，将架体的竖向荷载、水平荷载传递到附着支座上。其中导轨一般设计为阶梯档杆式，轨身一般为6.3#~8#槽钢或φ48×3.5 钢管，档杆为 φ28 圆钢、档杆间距一般为100~150mm。档杆两端采用环形焊缝与槽钢腹板或钢管外径焊接。因防倾覆导轨与竖向主框架设置为一体，故防倾覆导轨的背杆也可参与竖向主框架内立杆的强度计算。

导轨与背杆的组合形式常见的有两种：①平面式组合，导轨与背杆紧贴放置，背杆常常选用大截面矩形管，增强整体的抗弯能力。②空间是组合，导轨离开背杆150mm 左右，中间设置连续的三角桁架，组成空间桁架形式，此形式的导轨与背杆往往可以选择截面较小的材料即可满足抗弯的需求。

2.4 附着支撑结构

附着支撑结构是爬架荷载传递至建筑物的一个重要构件，支撑着整个爬架的重量，且与导轨共同作用形成防倾覆装置，也一并设计有停层装置和防坠落装置，其作用可见至关重要。因其承受多工况、多点位、多方向的荷载，故设计时主要从组成附着支座的结构件强度、稳定承载力、连接强度和与建筑物连接的穿墙螺栓强度等方向进行考虑。

在工程应用中，常见支座主肢水平拉弯，说明其抗弯能力不足，应增厚或加固；也偶见支座主肢在垂直面内压弯，说明横杆结构强度不足，应增大截面或增加撑拉构件。在较为不利的受力条件与结构形式下，可增设刚性撑拉构件，多为刚性撑拉杆，对附着进行辅助受力。

2.5 提升机构

爬架是可依靠自身的升降装置进行爬升和降落的，故也应设计一套可靠的传力构造，现从提高爬架“通过性”的方向考虑，一般都采用偏心式提升，偏心提升给将电动葫芦和链条等升降设备放置在架体外面提供了可行性，从而提高架体的通过性。但偏心提升特别考验导轨下部的抗弯能力，较中心式提升，其需要较大截面的立杆满足抗弯需求，且必须保证提升架的强度和稳定性。为此，可采取增设副立杆与提升架连接，有效减小对导轨下侧的弯矩，提高偏心提升的稳定性。

现在爬架采取的动力一般为电动葫芦，故电动葫芦的选取也至关重要，除了要保证电动葫芦链条的抗拉强度外，也应从电机占用空间小，链条容易整理，葫芦齿轮运行平滑、负载持续时间、宜采用轴销连接这几方面进行选用。对于偏心式使用的电动葫芦，先较常用的为带中节点的循环链电动葫芦，以及近几年刚刚面世的单链循环电动葫芦，这些都是针对附着式升降脚手架设计的专用电动葫芦。

2.6 同步控制系统

爬架提升时，一般为整体提升，故爬架各提升机位的同步性能也至关重要。应选用一套配备限制荷载和限制水平高差的同步控制系统。当只有两机位同时升降时，可采用限制水平高差的同步控制系统；当多机位同时升降时，采用限制荷载的控制系统。

其中荷载限制控制系统应具备荷载自动监测和超欠载报警、自动停机的功能，相邻两机位荷载变化值超过初始状态的15%，应具有声光报警功能，超过初始状态的30%，应具有全部机位自动停机的功能；分控箱和荷载检测单元应能实时采集各机位的荷载数据，并传输到总控制箱，从总控制箱能发出控制指令，具备急停、单机手动、多机手动控制功能，自如的控制爬架的升降，确保升降时的安全性能。